CN116325197A - 具有金属嵌体和顶部触点的发光器件 - Google Patents

具有金属嵌体和顶部触点的发光器件 Download PDF

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CN116325197A CN202180064279.8A CN202180064279A CN116325197A CN 116325197 A CN116325197 A CN 116325197A CN 202180064279 A CN202180064279 A CN 202180064279A CN 116325197 A CN116325197 A CN 116325197A
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Abstract

本文描述了发光器件。一种器件包括：具有顶表面和底表面的混合器件；和封装衬底，该封装衬底包括在封装衬底的顶表面上的开口中的金属嵌体。金属嵌体热耦合到混合器件的底表面。该器件还包括：在封装衬底的顶表面上的导电触点；以及电耦合在混合器件的顶表面和封装衬底的顶表面之间的导电连接器。

Description

具有金属嵌体和顶部触点的发光器件
背景技术
精确控制照明应用可能需要生产和制造小型可寻址发光二极管(LED)照明系统。这种系统的较小尺寸可能需要非常规的部件和制造工艺。
发明内容
本文描述了发光器件。一种器件包括：具有顶表面和底表面的混合器件；和封装衬底，该封装衬底包括在封装衬底的顶表面上的开口中的金属嵌体(inlay)。金属嵌体热耦合到混合器件的底表面。该器件还包括：在封装衬底的顶表面上的导电触点；以及电耦合在混合器件的顶表面和封装衬底的顶表面之间的导电连接器。
附图说明
可以从以下描述中获得更详细的理解，以下描述通过示例的方式结合所附附图给出，其中：
图1为示例LED阵列的俯视图；
图2A为示例混合器件的截面图；
图2B是结合了图2A的示例混合器件的示例LED照明系统的截面图；
图3A为结合了图2B的LED照明系统的一个示例应用系统的截面图；
图3B为结合了图2B的LED照明系统的另一示例应用系统的截面图；
图4A是图2B的示例LED照明系统的俯视图；
图4B为图3A和图3B的示例应用系统的俯视图；
图5为可以结合图2B的LED照明系统的一个示例车辆头灯系统的示意图；
图6为另一示例车辆头灯系统的图解；以及
图7是制造LED照明系统(诸如图2B的LED照明系统)的示例方法的流程图。
具体实施方式
下文将参考所附附图更全面地描述不同光照明系统和/或发光二极管实施方式的示例。这些示例不相互排斥，并且在一个示例中发现的特征可以与在一个或多个其他示例中发现的特征相组合，以实现另外的实施方式。因此，将被理解，所附附图中所示的示例仅为了说明的目的而提供，并且它们不旨在以任何方式限制本公开。类似的数字始终指代类似的元件。
将被理解，尽管术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述各种元件，但是这些元件不应该被这些术语所限制。这些术语可以用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件并且第二元件可以被称为第一元件，而不脱离本发明的范围。如本文所使用的，术语“和/或”可以包括一个或多个相关联列出项目的任何和所有组合。
将被理解，当诸如层、区域或衬底的元件被称为“在”或“延伸到”另一个元件上时，它可以直接在或直接延伸到另一个元件上，或者也可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接在”或“直接延伸到”另一个元件上时，可能没有中间元件的存在。还将被理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件和/或经由一个或多个中间元件连接或耦合到另一个元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，在该元件和另一个元件之间没有中间元件的存在。将被理解，除了图中描绘的任何取向之外，这些术语旨在涵盖元件的不同取向。
诸如“下面”、“上面”、“上边”、“下边”、“水平”或“垂直”的相对术语在本文可以用于描述一个元件、层或区域与图中所图示的另一个元件、层或区域的关系。将被理解，除了图中描绘的取向之外，这些术语旨在涵盖器件的不同取向。
此外，LED、LED阵列、电气部件和/或电子部件是否被容纳在一个、两个或更多个电子板上也可以取决于设计约束和/或应用。
半导体发光器件(LED)或光学功率发射器件(诸如发射紫外(UV)或红外(IR)光功率的器件)是当前可用的最有效的光源之一。这些器件(以下称为“LED”)可以包括发光二极管、谐振腔发光二极管、垂直腔激光二极管、边缘发射激光器等。例如，由于其紧凑的尺寸和较低的功率要求，LED可能是许多不同应用的有吸引力的候选。例如，它们可以用作手持式电池供电设备(诸如相机和手机)的光源(例如，闪光灯和相机闪光灯)。它们还可以用于例如机动车照明、抬头显示(HUD)照明、园艺照明、街道照明、视频手电筒(torch for video)、一般光照(例如，家庭、商店、办公室和工作室照明，剧院/舞台照明和建筑照明)、增强现实(AR)照明、虚拟现实(VR)照明、作为显示器的背光、以及IR光谱仪。单个LED可能提供不如白炽光源亮的光，并且因此，多结器件或LED阵列(诸如单片LED阵列、微型LED阵列等)可以用于期望或需要更高亮度的应用。
对于一些应用，LED可以布置成阵列。例如，LED阵列可以支持从光分布的细粒度强度、空间和时间控制中受益的应用。这可以包括但不限于从像素块或各个像素发射的光的精确空间图案化。取决于应用，发射的光可以是光谱上截然不同的、随时间自适应的、和/或环境响应的。LED阵列可以以各种强度、空间、或时间图案提供预编程的光分布。发射的光可以至少部分地基于接收的传感器数据并且可以用于光学无线通信。相关的电子器件和光学器件可以在发射器、发射器块、或器件级别上截然不同。
LED阵列可以由LED、VCSEL、OLED或其他可控发光系统的一维、二维或三维阵列形成。LED阵列可以形成为单片衬底上的发射器阵列，其通过部分或完全分割衬底形成，使用光刻、减成法或加成法形成，或者通过使用拾取和放置或其他合适的机械放置的组装形成。LED阵列可以均匀地布局在网格图案中，或者替代地可以定位成限定几何结构、曲线、随机或不规则的布局。
图1是示例LED阵列102的顶视图。在图1所图示的示例中，LED阵列102是发射器120的阵列。LED阵列102中的发射器120可以是单独可寻址的或者可以是分组/分子集可寻址的。
图1中还示出了LED阵列102的3×3部分的分解视图。如3×3部分分解视图所示，LED阵列102可以包括发射器120，每个发射器具有宽度w1。在实施例中，宽度w1可以是大约100μm或更小(例如，40μm)。发射器120之间的通道122的宽度可以是w2。在实施例中，宽度w2可以是大约20μm或更小(例如，5μm)。在一些实施例中，宽度w2可以小到1μm。通道122可以在相邻发射器之间提供气隙，或者可以包含其他材料。从一个发射器120的中心到相邻发射器120的中心的距离d1可以是大约120μm或更小(例如，45μm)。将理解，本文提供的宽度和距离仅仅是示例并且实际的宽度和/或尺寸可以变化。
将理解，尽管在图1中示出了以对称矩阵布置的矩形发射器，但是任何形状和布置的发射器都可以应用于本文描述的实施例。例如，图1的LED阵列102可以包括超过20000个处于任意适用布置(诸如200×100矩阵、对称矩阵、非对称矩阵等)的发射器。还将理解，多组发射器、矩阵和/或板可以以任何适用的形式被布置，以实现本文描述的实施例。
如上所述，LED阵列(如LED阵列102)可以包括多达20000个或更多个发射器。这种阵列可能具有90mm2或更大的表面积，并且可能需要相当大的功率(例如60瓦或更大)来给它们供电。像这样的LED阵列可以被称为微型LED阵列或简称为微型LED。在一些实施例中，微型LED可以包括数百、数千或甚至数百万个LED或发射器，这些LED或发射器一起位于厘米级或更小的面积的衬底上。微型LED可以包括设置在衬底上的各个发射器的阵列，或者可以是部分或完全分成形成发射器的段的单个硅晶片或管芯。
可以耦合控制器，以选择性地为LED阵列中的发射器子组供电，从而提供不同的光束模式。LED阵列中的至少一些发射器可以通过连接的电迹线单独控制。在其他实施例中，发射器的组或子组可以被一起控制。在一些实施例中，发射器可以具有不同的非白色。例如，发射器中的至少四个可以是RGBY发射器组。
LED阵列照明器可以包括灯具，该灯具可以基于选择性发射器激活和强度控制而被编程为投影不同的照明图案。这种照明器可以使用非移动部件来传递来自单一照明器件的多个可控光束图案。通常，这通过调节1D或2D阵列中各个LED的亮度来完成。可选地，光学器件(无论是共享的还是单独的)可以将光引导到特定目标区域上。在一些实施例中，LED、它们的支撑衬底和电迹线、以及相关联的微光学器件的高度可以小于5毫米。
LED阵列(包括LED或μLED阵列)可以用来选择性地和自适应地照亮建筑或区域，以改进视觉显示或减少照明费用。另外，这种LED阵列可以用来投影用于装饰性运动或视频效果的媒体立面。与追踪传感器和/或相机结合，选择性照亮行人周围的区域可以是可能的。光谱上截然不同的发射器可以用来调节照明的色温，以及支持特定波长的园艺光照。
街道照明是可以极大地受益于LED阵列的使用的重要应用。单一类型的LED阵列可以用来模拟各种街灯类型，从而允许例如通过适当地激活或停用选定发射器来在类型I线性街灯和类型IV半圆形街灯之间切换。另外，可以通过根据环境条件或使用时间而调节光束强度或分布来降低街道照明费用。例如，当不存在行人时，可以减少光强度和分布区域。如果发射器在光谱上截然不同，则可以根据相应的白天、黄昏、或夜晚条件来调节光的色温。
LED阵列也十分适用于支持要求直接显示或投影显示的应用。例如，警告、紧急情况、或信息标识都可以使用LED阵列来显示或投影。这允许例如投影颜色改变的或闪烁的出口标识。如果LED阵列包括大量发射器，则可以呈现文字或数字信息。也可以提供方向箭头或类似指示符。
车辆头灯是一种可以要求大量像素和高数据刷新速率的LED阵列应用。仅主动照亮道路的选定部分的机动车头灯可以用来减少与迎面而来的驾驶员的眩光或目眩相关联的问题。将红外相机用作传感器，LED阵列可以仅激活照亮道路所需的那些发射器，同时停用可以使行人或迎面而来的车辆的驾驶员目眩的发射器。另外，可以选择性地照亮道路外的行人、动物、或标识，以改进驾驶员的环境意识。如果发射器在光谱上截然不同，则可以根据相应的白天、黄昏、或夜晚条件来调节光的色温。一些发射器可以用于光学无线的车辆对车辆通信。
为了单独驱动或控制阵列中的各个LED或发射器，可以紧邻LED阵列提供硅背板。在一些实施例中，硅背板可以包括从一个或多个电源接收电力以给硅背板的各个部分供电的电路、从一个或多个电源接收图像输入以经由LED阵列显示图像的电路、用于硅背板和外部控制器(例如，车辆头灯控制、通用照明控制等)之间通信的电路、用于产生信号(诸如脉宽调制(PWM)信号)以基于例如从外部源接收的图像输入和通信来控制阵列中的各个LED或发射器的操作的电路、以及用于基于所产生的信号来单独驱动阵列中的LED或发射器的若干LED驱动器。在实施例中，硅背板可以是互补金属氧化物半导体(CMOS)背板，其可以包括与相应LED阵列中的LED或发射器相同数量的驱动器。在一些实施例中，硅背板可以是专用集成电路(ASIC)。在一些实施例中，可以为每组某一数量的LED或发射器提供一个驱动器，并且可以对LED或发射器的组进行控制、而不是单独进行控制。每个驱动器可以单独电耦合到相应的LED或发射器或者LED或发射器的组。虽然上面针对特定电路描述了硅背板，但是本领域普通技术人员将理解，用于驱动LED阵列的硅背板(例如本文描述的)可以包括更多、更少或不同的部件，这些部件潜在地执行不同的功能，而不背离本文描述的实施例。
如上所述，硅背板中的各个驱动器可以与LED阵列中的各个LED或发射器或者LED或发射器的组电连接。照此，LED阵列必须紧邻硅背板放置。在实施例中，这可以通过将LED阵列表面上的铜柱凸块或连接器的阵列中的铜柱凸块或其他连接器单独耦合到硅背板的相反表面上的相应连接器来实现。如上所述的硅背板在工作期间可能变得非常热，特别是考虑到它紧邻LED阵列。因此，散热对于这种器件来说可以是一个挑战。虽然一些用于半导体器件散热的解决方案是已知的，但是这些解决方案通常包括通过器件的顶部散热的结构。然而，由于来自LED阵列的光发射，通过器件的顶部散热可能不切实际或不可能。本文描述的实施例提供了可以通过器件的底表面实现有效和高效散热的结构。
附加地，LED阵列(如LED阵列102)以及相关联的硅背板可能需要将若干无源元件(如电阻器、电容器和晶体)放置在电路板上，紧邻硅背板。除了通过器件的底表面散热之外，本文所述的实施例还可以提供一种LED封装，其使得能够在电路板的顶表面上放置大量无源部件(例如，27个或更多个)，并且紧邻背板和LED阵列。此外，本文所述的实施例可以提供低高度的(low profile)LED阵列封装，其可以容纳一个或多个无源元件并且使得能够散发由硅背板和LED阵列产生的热量。
图2A为示例混合器件200的截面图。在图2A中所示的示例中，混合器件200包括硅背板204。诸如μLED的LED阵列202的第一表面203可以安装在硅背板204的第一表面205上。为了简化描述，硅背板204的第一表面205在本文中也可以称为顶表面，并且LED阵列202的第一表面203在本文中也可以称为底表面。然而，本领域普通技术人员将理解，如果混合器件200被上下颠倒，则第一表面205可以是底表面，如果混合器件200被侧向翻转，则第一表面205可以是侧表面，等等。类似地，如果混合器件上下颠倒，则第一表面203可以变成顶表面，如果混合器件200被侧向翻转，则第一表面203可以变成侧表面，等等。如上所述，硅背板204的第一表面205上的连接器阵列(未示出)可以被焊接、回流、或以其他方式电耦合和机械耦合到LED阵列202的底表面上的连接器阵列。连接器阵列可以是任何连接器阵列，例如铜柱凸块阵列。LED阵列202可以具有深度D1。在实施例中，深度D1可以在例如5μm和250μm之间。硅背板204可以具有深度D2。在实施例中，深度D2可以在例如100μm和1mm之间。混合器件200也可以被称为混合管芯。
图2B为并入图2A的示例混合器件200的示例LED照明系统250的截面图。在图2B中所示的示例中，混合器件200被封装在封装衬底208中。
在图2B中所示的示例中，硅背板204的第二表面207安装在金属嵌体210的第一表面209上。硅背板204的第二表面207在本文中也可以称为底表面，并且金属嵌体210的第一表面209在本文中也可以称为顶表面。然而，本领域普通技术人员将理解，如果混合器件200被上下颠倒，则第二表面207可以是顶表面，如果混合器件200被侧向翻转，则第二表面207可以是侧表面，等等。类似地，如果混合器件上下颠倒，则第一表面209可以变成底表面，如果混合器件200被侧向翻转，则第一表面209可以变成侧表面，等等。在图2B中所示的示例中，硅背板204的第二表面207和金属嵌体210的第一表面209通过金属层206联结。金属层206可以是具有良好热性质的任何金属，其使得能够在硅背板204和金属嵌体210之间进行热传递。在实施例中，金属层206可以是银。金属层206将硅背板204热耦合到金属嵌体210。
金属嵌体210可以为具有良好热性质的一种或多种类型的金属的任何一片或多层。在实施例中，金属嵌体210是单片金属，例如铜或铝构件或主体。金属嵌体210可以具有第二表面211，该第二表面211可以接触另一个电路板、散热器、或者其他金属嵌体或金属件(其示例在下面描述)，以促进热量从LED阵列202和硅背板204经由金属嵌体210传递到电路板、散热器、或者其他嵌体或金属件。金属嵌体210的第二表面211在本文中也可以称为底表面。然而，本领域的普通技术人员将理解，如果混合器件200被上下颠倒，则第二表面211可以是顶表面，如果混合器件200被侧向翻转，则第二表面211可以是侧表面，等等。金属嵌体210还可以包括侧表面。取决于形状，金属嵌体210可以具有任意数量的侧表面或单个侧表面，其可以是顶表面、底表面等，这取决于混合器件200的取向。虽然在图2B中未示出，但是一个或多个导电焊盘可以是金属嵌体210的第一和/或第二表面209/211的一部分或者耦合到金属嵌体210的第一和/或第二表面209/211，并且可以覆盖第一和/或第二表面209/211的一部分、第一和/或第二表面209/211的全部、或延伸超过第一和/或第二表面209/211。
在所示实施例中，金属嵌体210嵌入衬底208中，使得金属层206、硅背板204和LED阵列202突出并延伸至衬底208的第一表面213上方。第一表面213在本文中也可以称为顶表面，但是取决于LED照明系统250的取向，可以是侧表面或底表面。在一些实施例中，金属层206和/或硅背板204的全部或部分可以嵌入衬底208中。衬底208可以具有暴露衬底208的内表面217a、217b的开口。该开口可以完全延伸穿过衬底208的整个厚度T。取决于形状，开口可以具有任意数量的内表面或单个内表面217，其可以是顶表面、底表面等，这取决于LED照明系统250的取向。在图2B中所示的示例中，混合器件200被放置成至少金属嵌体210在开口中，并且金属嵌体210的侧表面接触衬底208的内表面217a、217b。在这样的实施例中，混合器件200可以经由合适的粘合剂固定到衬底208的内表面217a、217b。在其他实施例中，衬底208可以围绕混合器件200模制，使得至少金属嵌体210的侧表面与衬底208的内表面217a、217b直接接触。在其他实施例中，开口可以比混合器件200更宽，并且可以在内表面217a、217b和至少金属嵌体210的侧表面之间留下空间。
图示的LED照明系统250还可以包括热耦合至金属嵌体210的第二表面211的金属焊盘218，其可以为金属嵌体210的一部分、或者与金属嵌体210分离并附接至金属嵌体210。金属焊盘218可以促进金属嵌体210和另一个电路板、另一个金属嵌体和/或散热器之间的连接。在实施例中，可以不包括金属焊盘218，并且金属嵌体210可以被放置成与另一电路板、另一金属嵌体和/或散热器直接接触。在示出的实施例中，金属焊盘218完全覆盖金属嵌体210的第二表面211，并与衬底208的第二表面215的一部分重叠。第二表面211也可以被称为底表面，但是可以是顶表面、侧表面等，这取决于LED照明系统250的取向。本领域普通技术人员将理解，金属焊盘218可以仅部分覆盖金属嵌体210的第二表面211，可以完全覆盖金属嵌体210的第二表面211而不与衬底的第二表面215重叠，或者可以进一步延伸以覆盖衬底208的第二表面215的更大区域。
无源部件216可以安装在衬底208的第一表面213上。在图2B中所示的示例中，无源部件216安装在第一表面213上的第一金属焊盘(未示出)上。第二金属焊盘或触点220也可以设置在衬底208的第一表面213上。硅背板204也可以经由导电连接器212电耦合到无源部件216和第二金属焊盘或触点220。尽管在图2B中没有示出，但是在衬底208的第一表面213上的附加金属化可以完成硅背板204、导电连接器212和相应的无源部件216之间的电连接。下面参照图4A和图4B示出并描述了金属化的示例。第二金属焊盘或触点220可以在硅背板204与第二衬底或电路板上的电源和/或其他电子部件之间形成电连接(其示例在图3A和图3B中示出)。
尽管图2B中仅示出了两个导电连接器212，但可以包括任何数量的导电连接器212。例如，LED照明系统250可以包括27个或更多个无源部件216和相等或更多数量的导电连接器212。在所示实施例中，导电连接器212是导线，例如带状导线。然而，导电连接器212可以是任何合适类型的导电连接器，例如柔性电路。导电连接器可以被密封剂材料214完全覆盖。密封剂材料214可以保护导电连接器212，并且在实施例中，还可以起到提供对比度的功能，例如为经由LED阵列202显示的图像提供对比度。在实施例中，密封剂可以是环氧树脂或硅树脂材料，其具有可以产生暗色或黑色外观的碳填料。密封剂材料在本文中也可以称为阻光密封剂。
图3A为一个应用系统300A的截面图，该应用系统300A包括图2B的LED照明系统250。应用系统300A可以包括电路板222，电路板222在第一表面301上具有多个金属焊盘233。电路板222可以容纳控制电路和/或其他电路，并且在本文也可以称为控制板。金属焊盘233可以处于使得能够与衬底208的第一表面213上的第一金属焊盘或触点220(图3A中未示出)电耦合的位置中。如图3A中所示，电路板222限定了开口，并且LED照明系统250设置在开口中，其中衬底222的外边缘和电路板222的内表面之间的间隙通过开口暴露。然而，在实施例中，间隙可以更小、更大或者不存在。
在图3A中所示的示例中，衬底208和电路板222均在散热器232的顶部上，并经由热界面材料(TIM)228与散热器232热耦合。金属焊盘或触点220可以经由导电连接器224电耦合到电路板222的第一表面301上的金属焊盘233。在所示实施例中，导电连接器224是导线，例如带状导线。然而，导电连接器224可以是任何合适类型的导电连接器，例如柔性电路。导电连接器224可以被密封剂材料226完全覆盖。密封剂材料214可以保护导电连接器212，并且在实施例中，还可以起到提供对比度的功能，例如为经由LED阵列202显示的图像提供对比度。在实施例中，密封剂可以是环氧树脂或硅树脂材料，其具有可以产生暗色或黑色外观的碳填料。密封剂材料在本文中也可以称为阻光密封剂。
散热器232还可以包括金属嵌体230，该金属嵌体230可以包括被定位成与LED照明系统250的金属焊盘218相对应的金属焊盘。将LED照明系统250的金属嵌体210放置成紧邻散热器232并与散热器232热耦合——并且特别是紧邻散热器232中的金属嵌体230并与散热器232中的金属嵌体230热耦合(在散热器232中的金属嵌体230被包括的场合)——可以实现从混合器件200经由LED阵列202、硅背板204和金属嵌体210的第二或底表面203、207和211到散热器232的良好热传递。
附加地，金属触点或焊盘220与电路板222上的对应金属焊盘233之间的电耦合可以实现无源部件216、硅背板204和电路板222之间的电耦合。电路板222可以是在特定应用——例如车辆照明或闪光应用(示例车辆照明系统在下面参考图5和图6描述)——中使用的较大系统的一部分。除了散热器232之外，电路板222可以包括更大系统所需的其他电路元件。在实施例中，金属嵌体230可以以上述关于LED照明系统250的金属嵌体210的任一方式位于散热器232中。
图3B为另一应用系统300B的截面图，该另一应用系统300B包括图2B的LED照明系统250。如同在应用系统300A中一样，应用系统300B可以包括电路板222，该电路板222在第一表面301上具有若干金属焊盘233(在图3B中未标出)。金属焊盘233可以处于使得能够与衬底208的第一表面213上的金属焊盘或触点220电耦合的位置。然而，与图3A相反——在图3A中，LED照明系统250设置在电路板222中的开口中——在图3B中所示的应用系统中，LED照明系统250安装在电路板222的顶部上。在图3B中所示的示例中，LED照明系统250设置在电路板222之上，并经由热界面材料(TIM)228与其热耦合。
在一些实施例中，电路板222限定了开口，并且第二金属嵌体230嵌入开口中。在实施例中，第二金属嵌体230可以以上述关于LED照明系统250的金属嵌体210的任一方式位于电路板222中。LED照明系统250安装在电路板222上，其中金属嵌体210和230对齐。将LED照明系统250的金属嵌体210放置成紧邻电路板222并与电路板222热耦合——并且特别是紧邻电路板222中的金属嵌体230并与电路板222中的金属嵌体230热耦合(在电路板222中的金属嵌体230被包括的场合)——可以实现从混合器件200经由LED阵列202、硅背板204和金属嵌体210的第二或底表面203、207和211到电路板222的良好热传递。
在图3B中所示的示例中，电路板222进一步安装在散热器232的顶部上。金属焊盘或触点220可以经由导电连接器224电耦合到电路板222的第一表面301上的金属焊盘233。在所示实施例中，导电连接器224是导线，例如带状导线。然而，导电连接器224可以是任何合适类型的导电连接器，例如柔性电路。导电连接器224可以被密封剂材料226完全覆盖。密封剂材料226可以保护导电连接器224，并且在实施例中，还可以起到提供对比度的功能，例如为经由LED阵列202显示的图像提供对比度。在实施例中，密封剂可以是环氧树脂或硅树脂材料，其具有可以产生暗色或黑色外观的碳填料。密封剂材料在本文中也可以称为阻光密封剂。
附加地，金属触点或焊盘220与电路板222上的对应金属焊盘之间的电耦合可以实现无源部件216、硅背板204和电路板222之间的电耦合。电路板222可以是在特定应用——例如车辆照明或闪光应用(示例车辆照明系统在下面参考图5和图6描述)——中使用的较大系统的一部分。除了散热器232之外，电路板222可以包括更大系统所需的其他电路元件。
在图3A和图3B的实施例中，顶表面触点用于实现LED照明系统250和电路板222之间的电气连接。这可能是一种进行连接的廉价方式，并且还可以使得能够使用更大的板来容纳无源电子部件、表面金属化、导电连接器、和任何其他所需或期望的元件。图3A和图3B没有按比例示出，并且图3B中的箭头表示电路板222被画得比其实际上可能的尺寸更小，并且可能比图示中所示的大得多。
图4A是示出图2B的LED照明系统250的顶表面400的俯视图。该俯视图示出了LED阵列202的第一或顶表面，硅背板204的第一或顶表面205的未被LED阵列202覆盖的部分，覆盖导电连接器212的密封剂214，无源部件216，触点或焊盘220，将导电连接器212电耦合到无源部件216或者触点或焊盘220中的相应一个的金属化234，以及衬底208的第一或顶表面213的未被硅背板204、密封剂214、金属化234、无源部件216、或者触点或焊盘220覆盖的部分。金属化234可以是被图案化或蚀刻的金属层，以在导电连接器(未示出)所附接的触点、引脚或焊盘与无源部件216或金属触点或焊盘220之间形成电连接。
如图4A中所示，LED照明系统250具有长度l1和宽度w1。在实施例中，长度l1可以是大约20mm至40mm，并且宽度w1可以是大约20mm至40mm。硅背板204可以具有长度l2和宽度w2(为了清楚起见未标出)。在实施例中，长度l2可以是大约15.5mm，并且宽度w2可以是大约6.5mm。LED阵列202可以具有长度l3和宽度w3。在实施例中，长度l3可以是大约11mm，并且宽度w3可以是大约4.4mm。
给定这些示例尺寸，可以提供具有大表面积(在上述示例中为400mm2至1600mm2)的LED阵列封装，其中大量表面积未被LED阵列占据(在上述示例中，其表面积约为100mm2)。因此，这种设计为LED阵列封装上的无源电子部件的附接提供了充足的空间。
图4B为示出图3A和图3B的应用系统300A或300B的顶表面450的俯视图。在图4B中所示的示例中，LED照明系统250安装在电路板222的顶表面上。还示出了覆盖导电连接器224的密封剂材料226。触点或焊盘233经由金属化242电耦合到导电连接器224。
尽管在图4A和图4B中，在衬底208和电路板222的特定侧上的特定位置中示出了顶部触点、焊盘、无源部件和金属化，但本领域普通技术人员将认识到，这些元件中的更多或更少可以被包括，且可以在所有侧面上、在更少的侧面上、或者在与所示位置不同的位置中。
如上所述，硅背板可以包括从一个或多个电源接收电力以给硅背板的各个部分供电的电路、从一个或多个电源接收图像输入以经由LED阵列显示图像的电路、用于硅背板和外部控制器(例如，车辆头灯控制、通用照明控制等)之间通信的电路、用于产生信号(诸如脉宽调制(PWM)信号)以基于例如从外部源接收的图像输入和通信来控制阵列中的各个LED或发射器的操作的电路、以及用于基于所产生的信号来单独驱动阵列中的LED或发射器的若干LED驱动器。对于通信，硅背板可能具有大量数字接口，并且因此可能需要大量(例如，一百个或更多个)物理连接引脚来连接到外部板或装置。在一些实施例中，该外部板或装置可以是车辆头灯，其可以通信地耦合到机动车中的各种控制模块以接收控制信号。
附加地，硅背板可能需要多达三个或更多个电源，例如数字电源、模拟电源和LED电源。每个电源可能至少需要一个单独的去耦电容器，并且有时需要五个或更多个去耦电容器。此外，硅背板可能需要电阻器来精确设置LED电流，需要其他非去耦电容器和/或晶体来设置通用异步收发器(UART)的频率。这些无源部件中的许多或所有应尽可能靠近硅背板引脚放置。例如，用于设置UART的频率的晶体可能具有很高的频率，其可以对噪声敏感。附加地，这些无源部件中的每一个可能需要电耦合到硅背板。
图5为一个示例车辆头灯系统500的图解，该示例车辆头灯系统500可以结合图2B的LED照明系统250。图5中所示的示例车辆头灯系统500包括电力线502、数据总线504、输入滤波器和保护模块506、总线收发器508、传感器模块510、LED直流到直流(DC/DC)模块512、逻辑低压差(LDO)模块514、微控制器516、和主动式头灯518。在实施例中，主动式头灯518可以包括LED照明系统(诸如图2B的LED照明系统250)。
电力线502可以具有从车辆接收电力的输入，并且数据总线504可以具有输入/输出，通过该输入/输出可以在车辆和车辆头灯系统500之间交换数据。例如，车辆头灯系统500可以从车辆中的其他位置接收指令、诸如打开转向信号或打开头灯的指令，并且如果合期望，则可以向车辆中的其他位置发送反馈。传感器模块510可以通信地耦合到数据总线504，并且可以向车辆头灯系统500或车辆中的其他位置提供附加数据，该附加数据例如与环境条件(例如，一天中的时间、雨、雾、或周围环境光水平)、车辆状态(例如，已停放、运动中、运动速度、或运动方向)、以及其他物体(例如，车辆或行人)的存在/定位有关。与通信耦合到车辆数据总线的任何车辆控制器分离的头灯控制器也可以被包括在车辆头灯系统500中。在图5中，头灯控制器可以是微控制器，诸如微控制器(μc)516。微控制器516可以通信地耦合到数据总线504。
输入滤波器和保护模块506可以电耦合到电力线502，并且例如可以支持各种滤波器，以减少传导的发射并提供电力抗扰度(power immunity)。附加地，输入滤波器和保护模块506可以提供静电放电(ESD)保护、负载转储保护、交流发电机磁场衰减保护、和/或反极性保护。
LED DC/DC模块512可以在滤波器和保护模块506与主动式头灯518之间耦合，以接收滤波后的功率并提供驱动电流，从而为主动式头灯518中的LED阵列中的LED供电。LEDDC/DC模块512可以具有在7伏和18伏之间的输入电压，其标称电压大约为13.2伏，并且输出电压可以略高(例如，0.3伏)于LED阵列的最大电压(例如，如由因素或局部校准以及由于负载、温度或其他因素引起的操作条件调整来确定)。
逻辑LDO模块514可以耦合至输入滤波器和保护模块506，以接收滤波后的功率。逻辑LDO模块514也可以耦合到微控制器516和主动式头灯518，以向微控制器516和/或主动式头灯518中的硅背板(诸如CMOS逻辑)提供电力。
总线收发器508可以例如具有通用异步收发器(UART)或串行外设接口(SPI)，并可以耦合到微控制器516。微控制器516可以基于或包括来自传感器模块510的数据来转换车辆输入。转换后的车辆输入可以包括可传输到主动式头灯模块518中的图像缓冲器的视频信号。此外，微控制器516可以在启动期间加载默认图像帧并测试开路/短路像素。在实施例中，SPI接口可以加载CMOS中的图像缓冲器。图像帧可以是全帧、差分或部分帧。微控制器516的其他特征可以包括CMOS状态的控制接口监控，包括管芯温度以及逻辑LDO输出。在实施例中，可以动态控制LED DC/DC输出以最小化净空(headroom)。除了提供图像帧数据之外，还可以控制其他头灯功能，诸如与侧标志灯或转向信号灯结合互补使用，和/或日间行车灯的激活。
图6为另一示例车辆头灯系统600的图解。图6中示出的示例车辆头灯系统600包括应用平台602、两个LED照明系统606和608、以及光学器件610和612。两个LED照明系统606和608可以是LED照明系统(诸如图2B的LED照明系统250)，或者可以包括LED照明系统250加上图5的车辆头灯系统500中的其他模块中的一些或所有。在后一实施例中，LED照明系统606和608可以是车辆头灯子系统。
LED照明系统608可以发射光束614(图6中箭头614a和614b之间所示)。LED照明系统606可以发射光束616(图6中箭头616a和616b之间所示)。在图6中所示的实施例中，次级光学器件610邻近LED照明系统608，并且从LED照明系统608发射的光穿过次级光学器件610。类似地，次级光学器件612邻近LED照明系统606，并且从LED照明系统606发射的光穿过次级光学器件612。在替代实施例中，在车辆头灯系统中没有提供次级光学器件610/612。
在被包括的场合，次级光学器件610/612可以是或包括一个或多个光导。一个或多个光导可以是边缘照亮式的，或者可以具有限定光导内部边缘的内部开口。LED照明系统608和606(或者车辆头灯子系统的主动式头灯)可以插入一个或多个光导的内部开口中，使得它们将光注入一个或多个光导的内部边缘(内部开口光导)或外部边缘(边缘照亮式光导)。在实施例中，一个或多个光导可以以期望的方式一一诸如例如，具有梯度、倒角分布、窄分布、宽分布、或角分布一一对由LED照明系统608和606发射的光进行整形。
应用平台602可以经由线路604向LED照明系统606和/或608提供电力和/或数据，该线路604可以包括图5的电力线502和数据总线504中的一条或多条或一部分。一个或多个传感器(其可以是示例车辆头灯系统500中的传感器或其他附加传感器)可以在应用平台602的壳体内部或外部。替代地或另外，如图5的示例车辆头灯系统500中所示，每个LED照明系统608和606可以包括其自己的传感器模块、连接和控制模块、电源模块、和/或LED阵列。
在实施例中，车辆头灯系统600可以代表具有可操纵光束的机动车，其中可以选择性激活LED以提供可操纵光。例如，LED的阵列(例如，LED阵列102)可以用于限定或投射形状或图案，或者仅照亮道路的选定部分。在示例实施例中，LED照明系统606和608内的红外相机或检测器像素可以是识别场景中需要光照的部分(例如，道路或行人交叉路口)的传感器(例如，类似于图5的传感器模块510中的传感器)。
图7为制造LED照明系统(例如图2B的LED照明系统250)的示例方法700的流程图。
在图7的示例方法700中，导热嵌体可以嵌入第一衬底中(702)。在实施例中，这可以通过将导热嵌体放置在第一衬底中的开口中来实现。在一些实施例中，导热嵌体可以使用粘合剂粘附到衬底的暴露的内侧表面，或者可以是压力装配的。在一些实施例中，衬底可以围绕导热嵌体模制。无源部件可以表面安装在第一衬底上(704)。在实施例中，无源部件可以例如通过焊接安装在第一衬底的第一或顶表面上的若干金属触点中的至少一些上。在实施例中，当导热嵌体被嵌入时，通孔和其他表面金属化可能已经形成在第一衬底上，或者通孔和其他表面金属化可以在导热嵌体被嵌入后形成。
LED阵列(如微型LED阵列)可以附接至硅背板的第一或顶表面(706)。在实施例中，LED阵列可以包括连接器(例如铜柱凸块)的阵列，并且它们可以通过焊接、回流或其他方法单独耦合到硅背板中的驱动器。导热材料可以被分配在第一衬底上(708)。在实施例中，导热材料可以分配在至少一个金属焊盘上，该至少一个金属焊盘附接至导热嵌体或者是导热嵌体的一部分。在其他实施例中，导热材料可以直接分配在至少导热嵌体上。在一些实施例中，导热材料可以覆盖第一衬底的整个第一或顶表面。在实施例中，导热材料可以是银。附接有LED阵列的背板可以被管芯附接至第一衬底(710)，例如通过将其放置在导热材料上并允许其固化。
背板可以被引线接合附接至第一衬底(712)。这可以通过例如使用带状导线、柔性电路、或其他连接器，以及将背板上的金属触点、焊盘或引脚焊接或以其他方式电耦合到第一衬底的第一或顶表面上的金属触点、焊盘或引脚来实现。诸如以上详细描述的密封剂材料可以被分配在引线接合上或模制在引线接合周围(714)(例如，带状导线、柔性电路、或其他导电连接器)。在实施例中，这可能导致引线接合被密封剂材料完全覆盖。
可以将第二衬底(例如，电路板)附接至散热器(716)，例如使用导热材料(如TIM)。在一些实施例中，第一衬底可以嵌入第二衬底中(718a)。在这样的实施例中，这可以通过将第一衬底放置在第二衬底中的开口中，并且使用导热材料(例如TIM)将第一衬底附接至散热器的第一或顶表面来实现。在实施例中，第二衬底可以具有嵌入式第二热嵌体，其可以包括或具有单独附接的金属焊盘，并且第一和第二金属嵌体可以焊接在一起。第二金属嵌体可以嵌入散热器中，例如，通过将其放置在散热器的开口中并且将第二金属嵌体压力装配或结合到散热器。
在其他实施例中，第一衬底可以表面安装在第二衬底上(718b)。在实施例中，第一衬底的第二或底表面上的金属焊盘或触点可以焊接到或以其他方式电耦合到第二衬底的第一或顶表面上的金属焊盘或触点。此外，在一些实施例中，嵌入第二衬底中的导热嵌体可以热耦合到嵌入第一衬底中的导热嵌体，例如通过将两个导热嵌体上的焊盘或两个导热嵌体的一部分焊接在一起，或者直接将导热嵌体焊接在一起。
第一衬底可以引线接合至第二衬底(720)。这可以通过例如使用带状导线、柔性电路、或其他连接器，以及将第一衬底上的金属触点、焊盘或引脚焊接或以其他方式电耦合到第二衬底的第一或顶表面上的金属触点、焊盘或引脚来实现。诸如以上详细描述的密封剂材料可以被分配在引线接合上或模制在引线接合周围(例如，带状导线、柔性电路或其他导电连接器)。在实施例中，这可能导致引线接合被密封剂材料完全覆盖。
已经详细描述了实施例，本领域技术人员将领会，给定本描述，可以对本文描述的实施例进行修改而不脱离本发明构思的精神。因此，意图是本发明的范围不限于图示的和描述的具体实施例。

Claims (21)

1.一种器件，包括：
混合器件，其具有顶表面和底表面；
封装衬底，其包括在所述封装衬底的顶表面上的开口中的金属嵌体，所述金属嵌体热耦合到所述混合器件的底表面；
所述封装衬底的顶表面上的多个导电触点；和
多个导电连接器，其电耦合在所述混合器件的顶表面和所述封装衬底的顶表面之间。
2.根据权利要求1所述的器件，其中所述混合器件包括硅背板和所述硅背板上的至少一个单片阵列，所述至少一个单片阵列包括多个发光段。
3.根据权利要求2所述的器件，其中所述硅背板包括多个驱动器，所述多个驱动器中的一个被电耦合以向所述多个发光段中的一个或一个子集提供驱动电流。
4.根据权利要求2所述的器件，其中所述多个发光段包括至少20000个间隔为20μm或更小的发光段。
5.根据权利要求2所述的器件，其中所述单片阵列包括部分或完全分割成所述多个发光段的单片半导体衬底。
6.根据权利要求1所述的器件，进一步包括在所述金属嵌体的顶表面和所述混合器件的底表面之间的导热金属材料层。
7.根据权利要求1所述的器件，其中所述金属嵌体包括嵌入所述封装衬底中的铜材料单体。
8.根据权利要求1所述的器件，其中所述封装衬底的顶表面上的所述多个导电触点是外部控制板的接口。
9.根据权利要求1所述的器件，还包括覆盖所述多个导电连接器的阻光密封剂。
10.根据权利要求8所述的器件，其中所述阻光密封剂是具有碳填料的硅树脂或环氧树脂中的一种。
11.根据权利要求1所述的器件，还包括在所述封装衬底的顶表面上、电耦合在所述多个导电连接器和所述多个导电触点之间的至少一个金属化层。
12.一种器件，包括：
散热器，其具有顶表面；
控制板，其具有顶表面和底表面并限定开口，所述控制板的底表面热耦合到所述散热器的顶表面；
发光器件封装，其至少部分地在所述控制板中的开口中，所述发光器件封装包括在封装衬底的顶表面上的混合器件和在所述封装衬底的顶表面上的多个导电触点，所述封装衬底的底表面热耦合到所述散热器的顶表面；和
多个导电连接器，其电耦合在所述控制板的顶表面和所述封装衬底的顶表面上的多个导电触点之间。
13.根据权利要求12所述的器件，其中：
所述封装衬底还包括在所述封装衬底的顶表面上的开口中的第一金属嵌体，
所述散热器还包括在所述散热器的顶表面上的开口中的第二金属嵌体，并且
所述第一金属嵌体的底表面热耦合到所述第二金属嵌体的顶表面。
14.根据权利要求12所述的器件，其中所述多个导电连接器是导线、带状导线和柔性电路中的一种。
15.根据权利要求12所述的器件，其中所述混合器件包括硅背板和所述硅背板上的至少一个单片阵列，所述至少一个单片阵列包括20000个或更多个间隔为20μm或更小的发光段，并且所述硅背板包括用于20000个或更多个发光段中的每一个或者用于20000个或更多个发光段中的一个子集中的每一个的单独驱动器。
16.根据权利要求12所述的器件，其中发光封装还包括电耦合在所述混合器件的顶表面和所述封装衬底之间的多个其他导电连接器。
17.一种器件，包括：
控制板，其具有顶表面和底表面；
发光器件封装，其具有在所述控制板的顶表面上的底表面，所述发光器件封装包括在封装衬底的顶表面上的混合器件和在所述封装衬底的顶表面上的多个导电触点；和
多个导电连接器，其电耦合在所述控制板的顶表面和所述封装衬底的顶表面上的多个导电触点之间。
18.根据权利要求17所述的器件，其中：
所述封装衬底还包括在所述封装衬底的顶表面上的开口中的第一金属嵌体，
所述控制板还包括在所述控制板的顶表面上的开口中的第二金属嵌体，并且
所述第一金属嵌体的底表面热耦合到所述第二金属嵌体的顶表面。
19.根据权利要求17所述的器件，其中所述多个导电连接器是导线、带状导线和柔性电路中的一种。
20.根据权利要求17所述的器件，其中所述混合器件包括硅背板和所述硅背板上的至少一个单片阵列，所述至少一个单片阵列包括20000个或更多个间隔为20μm或更小的发光段，并且所述硅背板包括用于20000个或更多个发光段中的每一个或者用于20000个或更多个发光段中的一个子集中的每一个的单独驱动器。
21.根据权利要求17所述的器件，其中发光封装还包括电耦合在所述混合器件的顶表面和所述封装衬底之间的多个其他导电连接器。
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